با استفاده از یک ماشه اشمیت، می توانید یک فن ساده با کنترل دما بسازید که در دمای تنظیم شده روشن و خاموش می شود، بدون نیاز به میکروکنترلر.
در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف مانند پردازنده‌ها و کنسول‌های بازی، ممکن است مشاهده کرده باشید که پردازنده در حین استفاده فشرده مانند بازی یا شبیه‌سازی گرم می‌شود و منجر به روشن شدن فن یا افزایش سرعت آن برای دفع گرما می‌شود. هنگامی که پردازنده خنک شد، فن به جریان عادی خود باز می گردد یا خاموش می شود.
در این راهنمای DIY، ما یک فن ساده با دمای کنترل می‌سازیم که در مقادیر دمایی از پیش تعیین‌شده روشن و خاموش می‌شود، بدون نیاز به واحد میکروکنترلر در مدارش.
آنچه شما نیاز دارید
برای ساخت این پروژه به قطعات زیر نیاز دارید که می توانید از فروشگاه های اینترنتی الکترونیک تهیه کنید.
- آی سی مقایسه کننده LM393
- سنسور دما LM35
- تقویت کننده عملیاتی LM741
- آی سی ترانزیستور جفت دارلینگتون ULN2003
- فن DC
- چند مقاومت
- تنظیم کننده ولتاژ LM7805
- سیم های اتصال
- وروبرد
- مولتی متر دیجیتال
- باتری 12 ولت
- ایستگاه لحیم کاری (اختیاری: می توانید این پروژه را روی تخته نان نیز بسازید)
مشکل: سوئیچینگ سریع و مداوم فن DC
برای این کار DIY، ما می خواهیم وقتی که سنسور دما دمای 38 درجه سانتیگراد (100 درجه فارنهایت) یا بالاتر را حس می کند، فن روشن شود و زمانی که دما به زیر این آستانه می رسد خاموش شود. سنسورهای دما خروجی ولتاژی را به مدار می دهند که می تواند برای کنترل فن استفاده شود. ما به یک مدار مقایسه کننده ولتاژ با استفاده از LM393 نیاز داریم تا این خروجی ولتاژ را با یک ولتاژ مرجع مقایسه کنیم.
برای افزایش ولتاژ خروجی از سنسور دما، از تقویت‌کننده عملیاتی غیر معکوس LM741 برای ارتقاء این ولتاژ استفاده می‌کنیم، که می‌توان آن را با یک مرجع ولتاژ پایدار ارائه‌شده توسط تنظیم‌کننده ولتاژ مقایسه کرد. علاوه بر این، ما از LM7805 به عنوان تنظیم کننده ولتاژ 5 ولت DC استفاده می کنیم.
مشاهده می شود که وقتی دما به 38 درجه سانتیگراد نزدیک می شود، به دلیل نویز سیگنال، خروجی مدار شروع به تغییر مکرر بین مراحل روشن و خاموش می کند. این لرزش یا تغییر سریع ممکن است اتفاق بیفتد مگر اینکه دما بسیار بالاتر از 38 درجه سانتیگراد یا بسیار کمتر از 38 درجه سانتیگراد باشد. این سوئیچینگ مداوم باعث می شود جریان بالایی از فن و مدار الکترونیکی عبور کند و منجر به گرم شدن بیش از حد یا آسیب دیدن این قطعات شود.
Schmitt Trigger: راه حلی برای این مشکل
برای پرداختن به این موضوع، از مفهوم ماشه اشمیت استفاده می کنیم. این شامل اعمال بازخورد مثبت بر روی ورودی غیر معکوس مدار مقایسه‌کننده است که به مدار اجازه می‌دهد بین سطوح بالای منطقی و پایین منطقی در سطوح مختلف ولتاژ سوئیچ کند. با استفاده از این طرح، می توان ضمن اطمینان از سوئیچینگ بدون درز، از خطاهای متعدد ناشی از نویز جلوگیری کرد، زیرا تغییر به منطق بالا و پایین در سطوح مختلف ولتاژ رخ می دهد.
فن بهبود یافته با کنترل دما: چگونه کار می کند
این طراحی در یک رویکرد یکپارچه کار می کند، که در آن داده های سنسور سطح ولتاژ خروجی را نشان می دهد که توسط سایر عناصر مدار استفاده می شود. ما در مورد شماتیک مدار به ترتیب بحث خواهیم کرد تا به شما بینشی در مورد نحوه عملکرد مدار بدهیم.
سنسور دما (LM35)
LM35 یک آی سی برای سنجش دمای اتاق است و ولتاژ خروجی متناسب با دما در مقیاس سانتیگراد می دهد. ما از LM35 در بسته بندی TO-92 استفاده می کنیم. به طور اسمی، می تواند دمای بین 0 تا 100 درجه سانتی گراد را با دقت کمتر از 1 درجه سانتی گراد اندازه گیری کند.
می توان آن را با استفاده از منبع تغذیه 4 ولت تا 30 ولت DC تغذیه کرد و جریان بسیار کم 0.06 میلی آمپر مصرف می کند. یعنی به دلیل مصرف جریان کم، خود گرمایش بسیار کمی دارد و تنها گرمایی (دمایی) که تشخیص می دهد مربوط به محیط اطرافش است.
خروجی دمای سلسیوس LM35 با توجه به یک تابع انتقال خطی ساده داده شده است:
…جایی که:
• VOUT ولتاژ خروجی LM35 بر حسب میلی ولت (mV) است.
• T دما بر حسب درجه سانتیگراد است.
به عنوان مثال، اگر حسگر LM35 دمای تقریباً 30 درجه سانتیگراد را تشخیص دهد، خروجی سنسور تقریباً 300 میلی ولت یا 0.3 ولت خواهد بود. می توانید ولتاژ را با استفاده از مولتی متر دیجیتال اندازه گیری کنید. ما از LM35 در یک پروب ضد آب لوله ای در این پروژه DIY استفاده می کنیم. با این حال، می توان آن را بدون پروب لوله ای، مانند آی سی، استفاده کرد.
تقویت کننده افزایش ولتاژ با استفاده از LM741
ولتاژ خروجی سنسور دما بر حسب میلی ولت است و بنابراین برای سرکوب اثر نویز بر روی سیگنال و همچنین بهبود کیفیت سیگنال نیاز به تقویت دارد. تقویت ولتاژ به ما کمک می کند تا با کمک تقویت کننده عملیاتی LM741 از این مقدار برای مقایسه بعدی با یک ولتاژ مرجع پایدار استفاده کنیم. در اینجا، LM741 به عنوان یک تقویت کننده ولتاژ غیر معکوس استفاده می شود.
برای این مدار، خروجی سنسور را با ضریب 13 تقویت می کنیم. تابع انتقال برای تقویت کننده عملیات غیر معکوس تبدیل می شود:
بنابراین R1 = 1kΩ و R2 = 12kΩ می گیریم.
مقایسه کننده سوئیچ الکترونیکی (LM393)
همانطور که در بالا ذکر شد، برای سوئیچینگ الکترونیکی بدون نقص، یک ماشه اشمیت می تواند پیاده سازی شود. برای این منظور از آی سی LM393 به عنوان تریگر اشمیت مقایسه کننده ولتاژ استفاده می کنیم. ما از یک ولتاژ مرجع 5 ولت برای معکوس کردن ورودی LM393 استفاده می کنیم. یک مرجع ولتاژ 5 ولت با کمک آی سی تنظیم کننده ولتاژ LM7805 به دست می آید. LM7805 با استفاده از منبع تغذیه یا باتری 12 ولت کار می کند و 5 ولت DC ثابت خروجی دارد.
ورودی دیگر LM393 به خروجی مدار اپ آمپر غیر معکوس متصل می شود که در قسمت بالا توضیح داده شده است. به این ترتیب، اکنون می توان مقدار سنسور تقویت شده را با ولتاژ مرجع با استفاده از LM393 مقایسه کرد. بازخورد مثبت در مقایسه کننده LM393 برای اثر ماشه اشمیت اجرا شده است. خروجی LM393 فعال نگه داشته می شود و تقسیم کننده ولتاژ (شبکه مقاومتی که در نمودار زیر به رنگ سبز نشان داده شده است) در خروجی استفاده می شود تا خروجی (بالا) LM393 را به 5 تا 6 ولت کاهش دهد.
ما از قانون فعلی Kirchoff در پایه های غیر معکوس برای تجزیه و تحلیل رفتار مدار و مقادیر مقاومت بهینه استفاده می کنیم. (اما بحث آن از حوصله این مقاله خارج است.)
ما شبکه مقاومت را طوری طراحی کرده‌ایم که وقتی دما به 39.5 درجه سانتیگراد و بالاتر می‌رود، LM393 به حالت بالا تغییر می‌کند. به دلیل اثر ماشه اشمیت، حتی اگر دما درست کمتر از 38 درجه سانتیگراد کاهش یابد، همچنان بالا باقی می ماند. با این حال، مقایسه کننده LM393 ممکن است زمانی که دما به کمتر از 37 درجه سانتیگراد می رسد، یک مقدار منطقی کم تولید کند.
افزایش جریان با استفاده از ترانزیستورهای جفت دارلینگتون
خروجی LM393 بر اساس الزامات مدار، اکنون بین کم و زیاد منطقی تغییر می کند. با این حال، جریان خروجی (حداکثر 20 میلی آمپر بدون پیکربندی فعال بالا) مقایسه کننده LM393 بسیار کم است و نمی تواند یک فن را راه اندازی کند. برای رسیدگی به این مشکل، ما از جفت ترانزیستورهای ULN2003 IC دارلینگتون برای راه اندازی فن استفاده می کنیم.
ULN2003 از هفت جفت ترانزیستور امیتر مشترک جمع کننده باز تشکیل شده است. هر جفت می تواند جریان کلکتور-امیتر 380 میلی آمپر را حمل کند. بر اساس نیاز فعلی فن DC، می توان از چندین جفت دارلینگتون در یک پیکربندی موازی برای افزایش حداکثر ظرفیت جریان استفاده کرد. ورودی ULN2003 به مقایسه کننده LM393 و پایه های خروجی به ترمینال منفی فن DC متصل می شود. ترمینال دیگر فن به یک باتری 12 ولتی متصل است.
عناصر مدار، به جز فن و باتری، از طریق لحیم کاری روی Veroboard یکپارچه می شوند.
همه اش را بگذار کنار هم
نمودار شماتیک کامل فن با دمای کنترل شده به شرح زیر است. همه آی سی ها از باتری 12 ولت DC برق می گیرند. همچنین مهم است که توجه داشته باشید که همه پایه ها باید در ترمینال منفی باتری مشترک نگه داشته شوند.
تست مدار
برای تست این مدار می توانید از بخاری اتاق به عنوان منبع هوای گرم استفاده کنید. پروب سنسور دما را نزدیک بخاری قرار دهید تا بتواند دمای داغ را تشخیص دهد. پس از چند لحظه، افزایش دما را در خروجی سنسور مشاهده خواهید کرد. هنگامی که دما از آستانه تنظیم شده 39.5 درجه سانتیگراد فراتر رفت، فن روشن می شود.
حالا بخاری اتاق را خاموش کنید و اجازه دهید مدار خنک شود. هنگامی که دما به زیر 37 درجه سانتیگراد رسید، خواهید دید که فن خاموش می شود.
آستانه دمای خود را برای یک فن سوئیچینگ انتخاب کنید
مدارهای فن سوئیچینگ کنترل شده با دما معمولاً در بسیاری از وسایل الکترونیکی و الکتریکی و وسایل مورد استفاده قرار می گیرند. شما می توانید با انتخاب مقدار مناسب مقاومت در نمودارهای مدار مقایسه کننده ماشه اشمیت، مقادیر دمای خود را برای روشن و خاموش کردن فن انتخاب کنید. مفهوم مشابهی را می توان برای طراحی یک فن با دمای کنترل شده با سرعت سوئیچینگ متغیر، یعنی سریع و آهسته استفاده کرد.